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非接觸式液位傳感器的設(shè)計(jì)（自動(dòng)化）

                             任國(guó)晶，王惠玲，李寶生

               （中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十九研究所，黑龍江哈爾濱150001）

 摘要：通過(guò)對(duì)電容式液位傳感器的分析與研究，設(shè)計(jì)了一種新的大量程非接觸電容式液位傳感器，介紹了該傳感器的工作原理及詳細(xì)設(shè)計(jì)方案。傳感器采用電容陣列式的探頭密封結(jié)構(gòu)、基于頻域測(cè)量法的檢測(cè)電路和以單片機(jī)為核心的控制電路。實(shí)測(cè)結(jié)果表明：傳感器精度在1.5%F．S范圍內(nèi)，輸出穩(wěn)定，漂移小，受溫度影響小。該傳感器既適合大量程的液位測(cè)量，又能通過(guò)靈活增減敏感元件個(gè)數(shù)，滿足不同測(cè)量范圍的需要。

關(guān)鍵詞：傳感器；電容陣列；頻域測(cè)量；液位

中圖分類號(hào)：TP212  文章編號(hào)：1006 - 2394( 2016) 06 - 0041  - 04

0  引言

    隨著現(xiàn)代化控制和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，液位傳感器廣泛應(yīng)用于航空航天、艦船、水利、石油、化工、冶金等各個(gè)領(lǐng)域的自動(dòng)檢測(cè)和控制系統(tǒng)中，而且發(fā)揮著越來(lái)越顯著的作用。電容式傳感器以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、抗過(guò)載能力強(qiáng)、能在高溫、輻射、強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣條件下工作等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。小到納米數(shù)量級(jí)的測(cè)量，大到數(shù)米的測(cè)量范圍；既可以進(jìn)行靜態(tài)測(cè)量，也可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量。本文設(shè)計(jì)了一種大量程、非接觸式電容式液位傳感器，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的汲水、投水以及藥劑預(yù)混的控制及動(dòng)作執(zhí)行。傳感器用于實(shí)時(shí)采集水箱中的水量，并向控制盒上傳水量數(shù)據(jù)。

1  傳感器的工作原理

    傳感器由敏感元件與檢測(cè)電路組成。敏感元件采用電容陣列式結(jié)構(gòu)，由多對(duì)電極組成，所有電極是平行排列的金屬棒或圓形金屬環(huán)，每對(duì)電極組成一個(gè)電容，其介質(zhì)為被測(cè)液體（主要成分為海水）或空氣。敏感元件外側(cè)裝有外殼，將敏感元件部分與被測(cè)介質(zhì)隔離，避免敏感元件被腐蝕，通過(guò)電磁場(chǎng)的邊緣分布效應(yīng)進(jìn)行感應(yīng)。敏感元件部分示意圖如圖1所示，其中各小電容的高度、間距及兩極板的距離可根據(jù)不同的精度要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

    檢測(cè)電路采用頻域測(cè)量法進(jìn)行檢測(cè)，電容與振蕩器組成一個(gè)調(diào)諧電路，振蕩器工作頻率隨被測(cè)電容的增加而降低，由于被測(cè)液體（主要成分為海水）的介電常數(shù)大約是空氣介電常數(shù)的80倍，因此，檢測(cè)到的電容C _n與C_n+1的值會(huì)相差很大，根據(jù)檢測(cè)每對(duì)電容的值，就可以找到發(fā)生電容突變的電容的位置，這就很容易判斷液位的位置。

2傳感器的設(shè)計(jì)方案

    傳感器由硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分組成。硬件設(shè)計(jì)包括電容式傳感器、檢測(cè)電路、控制電路、V/I轉(zhuǎn)換電路；軟件設(shè)計(jì)是單片機(jī)編程，進(jìn)行頻率信號(hào)的采集和計(jì)算，并判讀液位輸出。

    電容傳感器將LC振蕩器的振蕩頻率信號(hào)變換后輸出至檢測(cè)器，檢測(cè)器負(fù)責(zé)對(duì)被檢測(cè)電容轉(zhuǎn)換的頻率信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和比較，最后由V/I轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生4～20 m A的輸出。

2.1敏感元件設(shè)計(jì)

    傳感器設(shè)計(jì)成一種圓環(huán)電容式結(jié)構(gòu)，其傳感原理借助于兩個(gè)帶狀電極間電磁場(chǎng)的邊緣分布效應(yīng)(fringeeffect)，如圖2所示。

    傳感器套管縱向放在被測(cè)介質(zhì)中。套管由ABS材料制成，外壁上鑲嵌有多對(duì)金屬環(huán)狀電極，形成圓環(huán)電容式結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

    電極間的電場(chǎng)耦合強(qiáng)度與電極周圍材料的介電特性密切相關(guān)。只要兩電極間的電場(chǎng)能量足以穿透套管，電極間電場(chǎng)耦合強(qiáng)度則與套管外的被測(cè)介質(zhì)有關(guān)。在電場(chǎng)作用下，兩個(gè)電極構(gòu)成一個(gè)電抗元件，其電特性既可能呈容性，也可能呈感性。如果電抗元件的數(shù)值能夠隨著套管外被測(cè)介質(zhì)的改變而變化，它就滿足了作為敏感元件的基本條件。傳感器的阻抗在1~ 280MHz范圍內(nèi)呈現(xiàn)容抗特性，其后隨著測(cè)量頻率的升高轉(zhuǎn)化為感抗傳感器，本傳感器的振蕩頻率在280 MHz范圍內(nèi)，因此呈現(xiàn)較好的容抗特性。

2.2硬件電路設(shè)計(jì)

2.2.1數(shù)據(jù)采集模塊

    電容傳感器與壓控振蕩器組成的調(diào)諧電路的輸出頻率很高，由于傳輸和記錄高頻信號(hào)的需要，在單片機(jī)對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理之前需要對(duì)調(diào)諧電路的輸出頻率進(jìn)行分頻，以取得在單片機(jī)處理范圍之內(nèi)的所需頻率。采取預(yù)分頻器件和紋波計(jì)數(shù)器對(duì)調(diào)諧電路的輸出頻率進(jìn)行二次分頻，使單片機(jī)輸入端的頻率信號(hào)滿足要求。

2.2.2    CPU處理模塊

    單片機(jī)是整個(gè)控制電路的核心，這里選用Infineon公司的單片機(jī)XC886，該單片機(jī)是高性能8位微控制器，兼容8051處理器，用于對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行分析、處理，輸出轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送給V/I轉(zhuǎn)換電路，并控制V/I轉(zhuǎn)換電路輸出相對(duì)應(yīng)的電流值。單片機(jī)外接BDM接口，用于程序的燒錄與調(diào)試。

2.2.3供電模塊

    傳感器前端檢測(cè)器與采集器由一個(gè)直流電源供電，其中，采集器直接接入直流電源，采集器將輸入電壓進(jìn)行DC變換后再為下級(jí)檢測(cè)器供電，以達(dá)到通過(guò)采集器上的電源模塊控制檢測(cè)器電源開(kāi)關(guān)的目的。同時(shí)，為了使電路工作穩(wěn)定，在采集器的電源輸入端接電壓調(diào)節(jié)電路，以穩(wěn)定檢測(cè)器中各元件的V _cc供電電壓。

2.2.4數(shù)據(jù)通信模塊

    系統(tǒng)采用總線實(shí)現(xiàn)各檢測(cè)器間及檢測(cè)器與采集器間的數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)，為了方便對(duì)不同檢測(cè)器進(jìn)行識(shí)別，單獨(dú)設(shè)置一條數(shù)據(jù)傳輸線，在程序初始化時(shí)，由采集器對(duì)串接在一起的各檢測(cè)器發(fā)送順序編號(hào)命令，通過(guò)向各傳感器順序?qū)懭?/font>ID號(hào)進(jìn)行排序，如此，簡(jiǎn)化了人工進(jìn)行跳線標(biāo)識(shí)排序的工作，減少了出錯(cuò)的機(jī)率。